KR101345157B1 - 바이오매스 처리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 건조효율과 분쇄효율이 향상된 바이오매스 처리장치를 위하여, 챔버와, 상기 챔버 내에 구비되며, 회전하여 상기 챔부 내로 투입된 가공 목적 물질에 충격을 가하여 분쇄하는 회전체와, 상기 회전체의 상방 및 상기 챔버 내에 구비되며 분쇄된 상기 가공 목적 물질이 기류에 의해 재분쇄, 건조 및 살균되도록, 상기 회전체의 원심력에 의한 기류를 고속회전기류로 전환하는 토러스를 포함하는 바이오매스 처리장치를 제공한다.

Description

바이오매스 처리장치{Apparatus of treating biomass}
본 발명은 바이오매스 처리장치에 관한 것이다.
하수슬러지, 축산분뇨, 음식물쓰레기, 임목 부산물(폐목재) 등은 그동안 단순 폐기물로만 인식되어 왔으나, 최근 들어 이들 바이오매스를 활용하여 새로운 에너지를 얻는 기술에 대한 연구가 다양하게 진행되고 있다. 바이오매스는 새로운 에너지원으로 각광 받고 있으나, 유기질과 세포로 이루어진 바이오매스 폐기물은 점도가 높고, 세포 클러스터-클러스터 사이, 세포-세포 사이, 그리고 세포내에 존재하는 수분의 결합력이 큰 특성으로 인해 건조가 매우 어려운 것이 일반적이므로, 바이오매스의 처리 방법이 요구된다.
그러나 이러한 종래의 바이오매스 처리장치는 많은 에너지를 사용해서 바이오매스 폐기물을 건조해야하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 향상된 건조효율과 분쇄효율을 갖는 바이오매스 처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 챔버와, 상기 챔버 내에 구비되며, 회전하여 상기 챔부 내로 투입된 가공 목적 물질에 충격을 가하여 분쇄하는 회전체와, 상기 회전체의 상방 및 상기 챔버 내에 구비되며 분쇄된 상기 가공 목적 물질이 기류에 의해 재분쇄, 건조 및 살균되도록, 상기 회전체의 원심력에 의한 기류를 고속회전기류로 전환하는 토러스를 포함하는 바이오매스 처리장치가 제공된다.
상기 회전체는 회전체 베이스와, 상기 회전체 베이스에 결합되는 제1로드와, 상기 회전체 베이스에 결합되는 분쇄 체인을 포함할 수 있다
상기 회전체는 상기 제1로드 및 상기 분쇄 체인은 적어도 두 쌍으로 상호 번갈아가며 상기 회전체 베이스에 결합될 수 있다.
상기 회전체는 상기 회전체 베이스에 결합되며 외기가 유입되는 중공을 갖는 샤프트와, 상기 회전체 베이스의 상부에 설치되어 상기 가공 목적 물질이 투입될 시 상기 가공 목적 물질과 충돌로부터 발생하는 충격을 흡수하며 상기 사프트를 통해 유입되는 외기의 토출방향을 전환하는 리플렉터를 더 포함할 수 있다.
상기 회전체는 상기 제1로드의 일단에 회동가능하게 결합된 제2로드를 더 포함할 수 있다.
상기 제2로드는 핀에 의해 회동가능하게 제1로드에 결합될 수 있다.
상기 제1로드는 상기 가공 목적 물질이 투입되는 방향과 대향되는 면에 복수의 돌기를 구비할 수 있다.
상기 챔버는 일측에 상기 가공 목적 물질이 투입되는 투입구와 상기 회전체에 대응되는 위치에 구비된 흡입구를 포함할 수 있다.
상기 챔버는 상기 투입구에 인접한 내부에 상기 회전체 방향으로 길이 조절이 가능한 흡입 유도 장치를 포함할 수 있다.
상기 토러스는 상기 회전체에 대응되는 부분에 형성된 중공부를 구비할 수 있다.
상기 토러스는 중앙으로 갈수록 내려가는 경사진 상면을 포함할 수 있다.
상기 토러스는 상기 회전체의 회전축과 수직한 단면이 다각 형상을 가질 수 있다.
상기 토러스 및 상기 회전체를 거친 상기 가공 목적 물질과, 상기 가공 목적 물질에서 탈수된 수분을 분리하여, 건조된 상기 가공 목적 물질을 집합하는, 싸이클론을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 가공 목적 물질과 직접 충돌하는 회전체를 이용하여 상기 가공 목적 물질을 1차 분쇄를 하며, 상기 회전체에 의한 회전기류를 이용하여 분쇄된 상기 가공 목적 물질을 이동시키며, 상기 회전체가 고속 회전함에 따라 발생한 열과 압력을 이용하여 이동된 상기 가공 목적 물질을 2차 분쇄하며, 상기 회전체의 물리적 일을 열과 압력으로 전환하여, 상기 가공 목적 물질에 포함된 수분의 기화점을 대기압보다 낮은 온도에서 형성하는 바이오매스 처리장치가 제공된다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 건조효율과 분쇄효율이 향상된 바이오매스 처리장치를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스 처리장치를 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 II-II선을 따라 취한 바이오매스 처리장치의 단면을 개략적으로 도시하는 단면도 및 사시단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스 처리장치의 회전체를 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 5는 도 4의 V-V선을 따라 취한 회전체의 단면을 개략적으로 도시하는 확대도이다.
도 6은 도 4의 회전체를 개략적으로 도시하는 측면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스 처리장치를 개략적으로 도시하는 측단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 바이오매스 처리장치를 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 바이오매스 처리장치를 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 바이오매스 처리장치를 개략적으로 도시하는 개념도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
본 발명의 실시예들의 가공 목적 물질은 예컨대, 바이오매스일 수 있다. 이러한 바이오매스의 건조 공정에는 LNG 등의 연료를 이용하여 직·간접 가열 건조방법을 이용하고 있으며, 이러한 건조기술로는 바이오매스 폐기물의 수분 함량을 10% 이내로 감량하기에는 많은 어려움이 있다. 또한, 수분 저감을 위해 소요되는 에너지 비용이 바이오매스 폐기물이 가지고 있는 고유의 열량 대비 효율성이 떨어지면 대체 연료화의 실현을 어렵게 만들 수 있는 요인이 된다.
바이오매스 폐기물을 연료로 사용하기 위한 설비 시스템에서 건조 공정은 핵심이 되는 기술이지만, 국내 기술이 외국에 비해 뒤처져 있어 대부분 유럽, 일본, 미국 등의 외국 기술을 이용하고 있다. 따라서 이러한 바이오매스의 세포 클러스터를 효과적으로 파괴하여 적은 에너지로 효율적으로 유기물의 수분 함량을 낮출 수 있는 국내 기술의 새로운 개념의 건조 분쇄 장치의 개발이 필요하다.
런던협약(1972) 및 기후변화에 관한 국제연합 규약의 교토의정서(1997)에 의거 2012년부터 폐기물의 해양투기 규제에 따른 하수슬러지, 음식물쓰레기, 축산분뇨 등의 바이오매스에 대한 감량화 또는 자원화 및 에너지화 관련 기술의 중요성이 매우 높아지고 있으며, 국제유가의 지속적인 상승으로 인해 주요 국가에서는 신재생에너지 보급을 더욱 확대할 계획이며, 정부에서도 국가에너지기본계획에 의거 2030년까지 국내 신재생에너지 보급률을 11.0%까지 높이는 전략을 수립하고 있다.
정부의 신재생에너지 정책은 기술개발 보다는 보급에 치우쳐 있어, 기술개발로 제품을 만들고 이를 상용화하여 신성장동력으로서의 가치 창출 필요성이 증대되고 있다.
바이오매스의 건조는 연료, 열풍, 스팀, 전기 및 전자파 등의 직접 또는 간접적인 에너지를 투입하여 피건조물에 함유된 수분이나 용제 등을 제거하는 공정으로써, 식품, 화학, 섬유, 요업, 제지, 목재, 폐기물 등의 거의 모든 산업에 다양한 건조 시스템이 사용되고 있다. 건조 방법으로는 직접 가열 방식, 간접 가열 방식 복합 가열 방식 등이 사용되고 있었다.
본 발명의 바이오매스 처리장치는 고속 회전 기류에 의해 바이오매스 폐기물 입자의 상호 충돌을 일으켜서 수분을 제거하는 방식의 건조 기술이다. 본 발명의 바이오매스 처리장치는 적은 에너지로 바이오매스(유기성 폐기물)를 효율적으로 건조ㅇ분쇄 가능한 장치로써 다음의 여러 가지 연료 생산 분야에 활용할 수 있다.
하수슬러지/축산분뇨의 효율적인 건조 및 에너지화 시스템에 적용할 수 있고, 예를 들어 바이오가스 생산 설비의 잔여 슬러지의 자원화 설비에 활용할 수 있다. 바이오매스를 활용한 열병합발전(CHP: Combined Heat and Power) 설비의 전처리 공정에 적용할 수 있고, 예를 들어 Palm 부산물을 활용한 CHP 발전 설비의 건조 분쇄 장치로 활용할 수 있다. 농임업 폐기물의 연료화 시스템에 적용할 수 있고, 예를 들어 임목 폐기물의 펠릿 연료화 시스템의 건조 및 파쇄 설비로 활용할 수 있다.
바이오매스 처리장치는 바이오 액체연료 생산기술, 바이오 기체연료 생산기술, 바이오 고체연료 생산기술로 분류할 수 있다. 본 발명의 일 실시예 따른 바이오매스 처리장치는 전술한 기술 중 바이오 고체연료 생산기술에 해당하나, 이에 한정하는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스 처리장치는 바이오매스(유기성 폐기물)의 건조 분쇄뿐만 아니라 병원성 세균의 살균 기능을 가지고 있어, 사료, 비료, 화장품 등의 생산 분야에 활용할 수 있다. 농축수산 가공 부산물 및 음식물 쓰레기의 사료화 시스템에 적용할 수 있고, 예를 들어 농축수산 부산물 및 음식물 쓰레기의 사료화 설비에 활용할 수 있다. 농축수산 가공 부산물 및 폐각, 축산분뇨/음식물 쓰레기 등의 비료화 시스템에 적용할 수 있고, 예를 들어 우분, 축분, 계분, 음식물 쓰레기 등을 혼합한 비료화 설비에 활용할 수 있다. 광물 등의 미세 분쇄 공정에 활용할 수 있고, 예를 들어 황토를 이용한 화장품 생산 등의 미세 분말 생산 공정에 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스 처리장치의 개략도이고, 도 2는 도 1의 바이오매스 처리장치의 II-II선을 따라 절단한 바이오매스 처리장치의 단면도이며, 도 3은 도 1의 II-II선을 따라 절단한 바이오매스 처리장치의 절단 사시도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 바이오매스 처리장치는 챔버(100), 회전체(200), 토러스(300)를 포함할 수 있다.
챔버(100)는 그 내부에서 바이오매스의 분쇄, 건조 및 살균이 동시에 진행될 수 있다. 원심력을 이용해 투입된 바이오매스를 분산시키며, 바이오매스내의 표면적 증가, 압력의 상승 등으로 바이오매스를 분쇄 및 건조하는 공정이 발생하는 장소가 챔버(100)이다. 이러한 챔버(100)는 바이오매스가 투입되는 투입구(120)와, 분쇄된 바이오매스가 토출되는 흡입구(110)를 구비할 수 있다. 여기서 흡입구(110)는 후술할 싸이클론(400)과 연통할 수 있다.
또한, 챔버(100)는 내부를 관찰할 수 있는 모니터링 창(130) 및 세정을 위한 도어(140)를 일측에 구비할 수 있다. 고점도의 바이오매스 투입시 챔버(100) 내부 벽면에 바이오매스 잔존물이 흡착되어 주기적으로 챔버(100)를 개봉하여 세정할 필요가 있다. 이를 위하여 챔버(100)는 일측에 모니터링 창(130)을 구비하여 챔버(100) 내부의 바이오매스 처리 상황을 관찰할 수 있다. 그리고 필요에 따라, 챔버(100)의 일측에 구비된 도어(140)를 통해 손쉽게 챔버(100) 내부을 세정할 수 있다.
회전체(200)는 챔버(100) 내에 위치하며, 원심력을 이용하여 바이오매스를 분산, 1차 분쇄할 수 있으며, 챔버(100) 내에 고속 난류(회전 기류)를 형성할 수 있다. 예컨대, 회전체(200)는 챔버(100)의 하부에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스 처리장치는 고속 회전 기류를 이용하여 바이오매스 폐기물을 하나의 챔버(100)에서 동시에 건조, 분쇄, 살균 처리할 수 있다. 바이오매스 처리 용량은 (투입 용량 기준) 0.5ton/hr일 수 있다.
열을 이용해서 바이오매스를 건조하는 종래의 열건조 방식과는 달리, 본 발명의 일 실시예 따른 바이오매스 처리장치는 고속 회전 기류를 이용할 뿐만 아니라, 고속 회전 기류에 의해 발생한 열과 압력을 동시에 이용하여 바이오매스를 건조할 수 있다. 즉, 바이오매스 처리장치는 고속회전기류에 의하여 발생하는 압력과, 이 압력으로 인한 이슬점 하락으로 섭씨 100도 이하에서 바이오매스를 건조할 수 있다.
또한, 바이오매스 처리장치는 부분적인 난류가 형성된 회전기류 속에 바이오매스를 투입하여, 본격적인 건조가 이루어지기 전에 난류 속에서 바이오매스를 분산 시킬 수 있다. 이로 인해, 바이오매스의 입자개수와 입자 표면적이 증가하여 건조 효율이 상승되며, 또한 입자간 충돌로 인하여 건조속도를 증가시킬 수 있다.
따라서 다양한 종류의 바이오매스를 분쇄, 건조, 살균 처리함에 있어 분쇄는 건조에 필요한 전 공정일 수 있다. 즉, 바이오매스의 세포클러스터-클러스터, 세포-세포 사이 그리고 세포내에 존재하는 수분 제거 (건조)에 선행되는 공정이 바이오매스의 표면적을 최대화 시키는 공정 즉, 분쇄를 할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스 처리장치는 효율(시간당 수분 제거율 및 수분 1 liter 당 제거에 필요한 비용)이 최적화된 바이오매스 분쇄/건조/살균 장치를 제공한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예 따른 바이오매스 처리장치의 회전체(200)의 개략도이다. 도 4를 참조하면, 회전체(200)는 챔버(100) 내로 투입되는 바이오매스를 원심력을 이용하여 챔버(100)의 벽 쪽으로 빠른 속도로 이송시키는 역할을 할 수 있다.
회전체(200)는 원심력을 발생시키기 위하여 챔버(100)의 내/외에 배치된 모터(미도시)와, 모터와 연결된 이송장치(벨트-풀리 시스템)(미도시)를 구비할 수 있다.
회전체(200)는 제1로드(220), 분쇄 체인(230) 및 샤프트(270)를 포함할 수 있다. 이러한 회전체(200)의 구성 요소는 회전의 중심이 되는 회전체 베이스(210)에 결합될 수 있다. 여기서 회전체 베이스(210)는 대략 원판 형태일 수 있다.
제1로드(220)는 회전체 베이스(210)에 결합되며, 투입된 바이오매스를 큰 조각으로 분쇄할 수 있다. 분쇄 체인(230)은 회전체 베이스(210)에 결합되며, 제1로드(220)보다 아래 위치하여 큰 조각으로 분쇄된 바이오매스를 더 작은 조각으로 분쇄할 수 있다. 이때, 제1로드(220)는 회전체 베이스(210)를 기준으로 하여 대칭으로 배치된 복수일 수 있다. 또한, 분쇄 체인(230)도 회전체 베이스(210)를 기준으로 하여 대칭으로 배치된 복수일 수 있다. 여기서, 제1로드(220) 및 분쇄 체인(230)은 동일한 개수일 수 있다.
투입된 바이오매스를 보다 잘게 분쇄하기 위하여 제1로드(220) 및 분쇄 체인(230)은 적어도 두 쌍으로 상호 번갈아가며 회전체 베이스(210)에 결합될 수 있다. 즉, 도시된 바와 같이 회전체(200)는 분쇄 체인(230) 위에 제1로드(220)가 배치되고, 제1로드(220) 위에 다시 분쇄 체인(230) 및 제1로드(220)가 배치될 수 있다.
한편, 제1로드(220)는 바이오매스가 투입되는 방향과 대향되는 면에 복수의 돌기(211)를 구비할 수 있다. 예컨대, 제1로드(220)는 상면에 복수의 돌기(211)가 구비되어, 투입된 바이오매스를 보다 수월하게 분쇄할 수 있다.
샤프트(270)는 회전체 베이스(210)에 결합될 수 있다. 예컨대 샤프트(270)의 중심과 원판 형태의 회전체 베이스(210)의 중심은 일치할 수 있다. 여기서 샤프트(270)는 연장방향으로 중공(271)이 형성되어, 외기(273)를 챔버(100) 내부로 유입할 수 있다. 즉, 샤프트(270)는 내부에 중공(271)이 형성되어 챔버(100) 내부와 외부를 연통할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 바이오매스 처리장치의 회전체(200)의 확대도이다. 도 4를 참조하면, 회전체(200)는 고 비중의 바이오매스 투입 시 그 충격에 의해 파손될 위험이 있다. 이러한 파손을 방지하기 위하여, 회전체(200)는 회전체 베이스(210)에 결합되어 충격을 흡수하는 리플렉터(240)를 포함할 수 있다. 여기서 리플렉터(240)는 자체가 탄성을 가질 수 있고, 스프링이나 탄성을 갖는 스틱에 의해 회전체 베이스(210)에 결합될 수도 있다.
또한, 리플렉터(240)는 전술한 샤프트(270)의 중공(271)을 통해 유입되는 외기(273)의 진행 방향을 변경할 수 있다. 샤프트(270)의 연장방향으로 유입된 외기는 리플렉터(240)에 부딪쳐 바이오매스의 분산방향(275)으로 흐르도록 유도될 수 있다. 예컨대, 외기(273)가 리플렉터(240)에 부딪쳐 외기 방향을 직각으로 전환하여 회전체(200) 중앙으로 투입되는 바이오매스를 분산시키는데 도움을 줄 수 있다.
한편, 회전체(200)는 제1로드(220)의 일단에 결합되어 회전 기류의 속도를 증가시키는 제2로드(250)를 더 포함할 수 있다. 여기서 제2로드(250)는 제1로드(220)의 일단에서 회전기류의 이동방향으로 연장될 수 있다. 예컨대, 제2로드(250)는 제1로드(220)의 일단에서 토러스(300) 방향 즉 상방으로 연장될 수 있다.
또한, 회전체(200)는 제1로드(220)의 일단에 회동가능하게 결합될 수 있다. 도 6을 참조하면, 회전체(200) 중앙(회전체 베이스(210))으로 투입된 바이오매스를 회전체(200)에 부착된 제1로드(220) 및 분쇄 체인(230)으로 1차 분쇄 후 토러스(300) 상단에서의 고속 회전 기류에 의한 2차 분쇄 및 건조를 위해 토러스(300) 상단으로 이송시킬 때 원심력에 의한 와류를 빠른 속도로 고속 회전 기류로 유도하기 위한 목적으로 제1로드(220)의 일단에 제2로드(250)를 구비할 수 있다.
이러한 제2로드(250)의 구조는 회전체(200)가 일정 속도 이상의 회전운동을 할 때만 그 기능을 할 수 있게 제1로드(220) 일단에 핀(260)을 이용하여 고정할 수 있다. 예컨대, 제2로드(250)는 핀(260)을 기준으로 도시된 바와 같이 꺾인 형태로 이루어지고, 무게 중심이 핀(260) 보다 아래에(핀(260) 보다 회전 중심 가까이에) 위치할 수 있다. 이러한 경우, 제2로드(250)는 회전체(200)가 회전하지 않으면 무게 중심 및 제2로드(250)의 형태에 의해 제2로드(250)의 상부가 제1로드(220)와 수평을 이룰 수 있다. 또한, 제2로드(250)는 회전체(200)가 회전할 때는 무게 중심과 원심력 등에 의해, 그리고 제2로드(250)의 형상에 의해, 제2로드(250)의 상부와 제1로드(220)는 소정의 각도를 이룰 수 있다.
제2로드(250)는 제1로드(220)의 표면 및 일단에는 제1로드(220) 외에 추가로 원심력을 증강시킬 수 있어, 분쇄된 바이오매스를 고속회전기류로 보낼 때 그 속도를 증가시킬 수 있다. 이렇게 제2로드(250)가 속도를 증가시킴에 따라, 적은 에너지로 필요한 속도를 달성할 수 있다.
한편, 다시 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 토러스(300)를 설명한다.
토러스(300)(torus)는 챔버(100) 내에 위치하여 회전체(200)의 원심력에 의한 기류를 고속회전기류로 전환할 수 있다. 챔버(100) 내에 인입되는 바이오매스는 고속으로 회전하는 회전체(200)의 원심력에 의해 회전체(200)의 가장자리로 분산될 수 있다. 그리고 바이오매스는 회전체(200)에 의해 발생된 기류를 타고, 회전체(200)보다 위에 위치한 토러스(300)와 챔버(100)의 벽사이의 좁고 긴 통로를 통과할 수 있다. 이때, 바이오매스를 포함하는 기류는 빠른 난류로 전환되어, 챔버(100)내의 토러스(300) 상단 부위에서 바이오매스의 분쇄, 건조 및 살균에 사용되는 고속회전 기류를 발생시킬 수 있다.
회전체(200)에 의한 기류는 그 바깥쪽 압력이 높고 중앙은 압력이 낮은 원리를 이용하여 비중과 점도가 높은 바이오매스의 건조를 극대화하기 위하여, 챔버(100) 중앙에 수평으로 도넛 모양의 구조물인 토러스(300)를 설치하여 투입된 바이오매스 입자 분산의 효과를 극대화 한다. 즉, 토러스(300)는 회전체(200)에 대응되는 부분에 중공부(310)를 구비할 수 있다. 여기서 바이오매스는 토러스(300)의 중공부(310)를 통과하여 회전체(200)에 부딪칠 수 있다. 이때, 토러스(300)는 중앙으로 갈수록 내려가는 경사진 상면을 가져, 바이오매스를 보다 원활하게 회전체(200)로 안내할 수 있다. 또한, 토러스(300)의 중공부(310), 회전체(200)의 중심, 흡입구(110)는 대략 대응되는 위치에 구비될 수 있다.
분쇄, 건조 및 살균하는 바이오매스의 점도 및 함수율에 따라 토러스(300)의 형상을 다양하게 할 수 있다. 예를 들어 토러스(300)는 회전체(200)의 회전축과 수직한 단면이 다각 형상을 가질 수 있다. 도시된 바와 같이 토러스(300)는 8각형의 단면을 가질 수도 있고, 6, 12 각형도 가능하다. 원형에 가까운 다각형의 토러스(300)(예컨대, 12각형)일수록 회전체(200)의 의한 1차 분쇄 후 토러스(300)를 통과하면서 발생하는 고속회전기류에 의한 바이오매스의 자체 충돌 및 이 때 발생하는 열에 의한 건조효과가 6각형 내지 8각형의 토러스(300) 대비 작다. (원형에 가까운 토러스(300) 사용 경우 입자간 충돌량이 매우 제한적이며, 따라서 기류건조의 효율도 제한적이다.).
따라서 6각형 토러스(300)는 점도와 함수율이 비교적 높은 하수슬러지나 축산 분뇨등의 바이오매스 가공에 사용되며, 12각형 토러스(300)는 점도와 함수율이 비교적 낮은 목재류의 건조등에 사용할 수 있다.
한편, 챔버(100)는 토러스(300)의 외형과 대응되는 내부 형상을 가질 수 있다. 즉, 챔버(100)의 내부형상도 토러스(300)의 외형과 같은 구조를 취함으로, 기류의 충돌력을 증가시킬 수 있다. 예컨대, 토러스(300)의 단면이 8각형이라면, 챔버(100)의 단면도 8각형일 수 있다. 물론 토러스(300)의 단면이 다른 형상인 경우에도 마찬가지이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스 처리장치의 흡입 유도 장치(150)를 포함할 수 있다. 흡입 유도 장치(150)는 투입구(120)에 인접한 챔버(100)의 내부에 구비되며, 회전체(200) 방향으로 길이 조절이 가능할 수 있다. 저 점도 바이오매스 투입 시 바이오매스 챔버(100)의 투입구(120)와 흡입구(110)가 구조적으로 근접하여, 분쇄 및 건조 공정을 거치지 않고 바이오매스가 바로 투입구(120)에서 흡입구(110)로 빨려들어가는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 흡입 유도 장치(150)는 투입구(120)의 하방에 배치되어 점성이 낮은 바이오매스를 투입구(120)로부터 토러스(300)의 중앙으로 안내할 수 있다. 이러한 흡입 유도 장치(150)는 챔버(100) 내에 구비되며 토러스(300)의 중앙으로 갈수록 내려가는 경사진 슬라이드(151)와, 챔버(100) 외에 구비되며 슬라이드(151)와 연결된 레버(152)를 포함할 수 있다. 즉 사용자는 레버(152)를 통해 슬라이드(151)의 길이를 조절하여 저 점도의 바이오매스 투입시만 선택적으로 사용할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스 처리장치를 도시하고 있다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스 처리장치는 챔버(100), 회전체(200), 토러스(300) 이외에 싸이클론(400), 바이오매스 로더(500) 등을 더 포함할 수 있다.
싸이클론(400)은 분쇄된 바이오매스를 바이오매스에서 탈수된 수분과 건조된 바이오매스를 분리할 수 있다. 그리고 싸이클론(400)은 건조된 바이오매스를 집합하여 외부로 배출할 수 있으며, 탈수된 수분을 다시 챔버(100)로 되돌릴 수 있다. 이때 탈수된 수분은 압력에 의해 챔버(100) 외부로 배출될 수 있다.
한편, 바이오매스 로더(500)는 바이오매스를 챔버(100)의 투입구(120)로 안내할 수 있다. 예컨대, 바이오매스 로더(500)는 컨베이어일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스 처리장치는 150 마력의 모터를 사용하여 시간당 0,5 ton의 바이오매스 처리가 가능하며 1 kg 수분의 제거 효율은 약 300 kcal일 수 있다. 바이오매스의 비중/점도/함수율에 따라 건조 속도 및 건조량을 조절할 필요가 있으며, 또한 바이오매스 흡입 유도 장치(150)를 작동 유무도 결정할 수 있다. 또한 투입되는 바이오매스의 종류에 따라 토러스(300)를 선택 (6, 8, 12각형 등)하여 바이오매스 종류별 최적의 토러스(300)를 선정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스 처리장치는 타 열풍 건조 방식 대비 고속 회전 기류 방식에 비하여, 효율을 높일 수 있는 장치를 제공할 수 있다. 또한, 저 비중의 바이오매스를 투입시 기존의 장치들은 원료 투입구(120)와 배출구간의 거리가 너무 가까워서 원료 투입구(120)에서 배출구로 바로 배출이 되는 현상을 방지한다.
점성이 높은 바이오매스 투입시 질량이 큰 덩어리가 회전체(200)를 충격할 경우 과부하로 발생되는 운전 정지를 방지할 수 있다. 점성이 높은 바이오매스 투입시 가공 물질이 챔버(100) 벽면에 달라붙어 수시간 간격으로 챔버(100) 벽면 및 회전체(200)를 세정해야 하는 문제를 해결할 수 있다.
회전체(200)를 구동하기 위한 대용량의 모터 자체에서 발생하는 진동 및 소음과 회전체(200) 및 챔버(100)에서 발생하는 진동 및 소음이 커플링되어 90dB까지 소음이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스 처리장치의 개념도이다.
본 발명의 바이오매스 처리장치는 고속으로 회전하는 회전체(200)에 가공 목적 물질을 직접 충돌하여 1차 분쇄할 수 있다.
바이오매스 처리장치는 1차 분쇄된 가공 목적 물질을 회전체(200)의 원심력에 의해 생성된 기류을 이용하여, 기류를 유도하는 구조물에 의해 만들어진 공간에 정체시켜 2차 분쇄시킬 수 있다.
이때, 바이오매스 처리장치는 회전체(200)의 물리적 일을 열과 압력으로 전환하여, 가공 목적 물질에 포함된 수분의 기화점을 대기압보다 낮은 온도에서 형성할 수 있다. 즉, 바이오매스 처리장치는 열과 압력을 이용하여 2차 분쇄된 가공 목적 물질을 건조 및 살균할 수 있다. 이렇게 대기압보다 낮은 온도에서 수분의 기회점이 형성되므로 적은 열을 이용하여 가공 목적 물질을 건조시킬 수 있어, 건조 효율과 분쇄 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고 바이오 메스 처리장치는 일정 입도와 함수율로 분쇄-건조된 물질을 고속회전기류 챔버(100)의 외부로부터 유입되는 정압기류에 의해 선택적으로 챔버(100) 외부(예컨대, 싸이클론(400))로 유도할 수 있다. 바이오 메스 처리장치는 챔버(100) 외부에서 가공된 물질을 중력에 의해 집합하여 외부로 방출하고, 수분함유기류를 다시 챔버(100) 내부로 회송시킨다. 회송 도중 기류에 함유된 수분은 자체 압으로 인해 외부로 유출된다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 바이오매스 처리장치의 공정도이다. 작동리는 고속회전으로 수직 제트 기류를 발생시켜 단일설비로 건조, 분쇄, 살균 공정의 연속-동시 처리하는 것이다.
건조 단계는 미립자간 충돌로 수분 증발, 고속회전에 의한 물리적 탈수한다.
분쇄 단계는 임펠러, 입자 간, 입자-격변 간 충돌로 미세분말 생성한다.
살균 단계는 미립자간 고속충돌로 내부열 약 90℃ 상태에서 바이오매스 살균한다. 생산물질은 투입 물질의 함수율 및 가동 편차에 따라 차이가 있으나, 일반적으로 함수율 5∼10%, 입도 0.05mm의 미세분말 생성한다. 사용에너지는 전기를 사용하여 기계를 구동하며, 기존 열풍건조에 소요되는 에너지 비용의 약 50%정도 사용하므로 에너지 절감 효과 탁월하다.
적용공정은 건조-분쇄-살균 동시 처리, 오염성 폐기물 처리 가능하다. 처리가능물질은 목질계, 초본계, 슬러지류, 축산분뇨, 무기물류 등을 처리할 수 있으며, 이들의 혼합 처리도 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 챔버 200: 회전체
210: 회전체 베이스 220: 제1로드
221: 복수의 돌기 230: 분쇄 체인
240: 리플렉터 250: 제2로드
260: 핀 270: 샤프트
300: 토러스 400: 싸이클론
500: 바이오매스 로더

Claims (14)

  1. 챔버;
    상기 챔버 내에 구비되며, 회전하여 상기 챔부 내로 투입된 가공 목적 물질에 충격을 가하여 분쇄하는 회전체; 및
    상기 회전체의 상방 및 상기 챔버 내에 구비되며, 분쇄된 상기 가공 목적 물질이 기류에 의해 재분쇄, 건조 및 살균되도록, 상기 회전체의 원심력에 의한 기류를 고속회전기류로 전환하는 토러스;
    를 포함하고,
    상기 회전체는,
    회전체 베이스;
    상기 회전체 베이스에 결합되는 제1로드;
    상기 회전체 베이스에 결합되는 분쇄 체인;
    상기 회전체 베이스에 결합되며, 외기가 유입되는 중공을 갖는 샤프트; 및
    상기 회전체 베이스의 상부에 설치되어, 상기 가공 목적 물질이 투입될 시 상기 가공 목적 물질과 충돌로부터 발생하는 충격을 흡수하며, 상기 사프트를 통해 유입되는 외기의 토출방향을 전환하는 리플렉터;
    를 포함하는, 바이오매스 처리장치.
  2. 챔버;
    상기 챔버 내에 구비되며, 회전하여 상기 챔부 내로 투입된 가공 목적 물질에 충격을 가하여 분쇄하는 회전체; 및
    상기 회전체의 상방 및 상기 챔버 내에 구비되며, 분쇄된 상기 가공 목적 물질이 기류에 의해 재분쇄, 건조 및 살균되도록, 상기 회전체의 원심력에 의한 기류를 고속회전기류로 전환하는 토러스;
    를 포함하고,
    상기 회전체는,
    회전체 베이스;
    상기 회전체 베이스에 결합되는 제1로드;
    상기 회전체 베이스에 결합되는 분쇄 체인; 및
    상기 회전체는, 상기 제1로드의 일단에 회동가능하게 결합된 제2로드;
    를 포함하는, 바이오매스 처리장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 회전체는,
    상기 제1로드 및 상기 분쇄 체인은 적어도 두 쌍으로 상호 번갈아가며 상기 회전체 베이스에 결합된, 바이오매스 처리장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 회전체는, 상기 제1로드의 일단에 회동가능하게 결합된 제2로드를 더 포함하는, 바이오매스 처리장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2로드는 핀에 의해 회동가능하게 제1로드에 결합되는, 바이오매스 처리장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1로드는 상기 가공 목적 물질이 투입되는 방향에 대향되는 면에 복수의 돌기를 구비하는, 바이오매스 처리장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 챔버는,
    일측에 상기 가공 목적 물질이 투입되는 투입구와,
    상기 회전체에 대응되는 위치에 구비된 흡입구를 포함하고,
    상기 흡입구는 상기 챔버의 상부에 중앙 부분에 위치하고,
    상기 투입구는 상기 챔버의 상부에 상기 흡입구의 외각 부분에 위치하는, 바이오매스 처리장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 챔버는 상기 투입구에 인접한 내부에 상기 회전체 방향으로 길이 조절이 가능한 흡입 유도 장치를 포함하고,
    상기 흡입 유도 장치는 상기 투입구의 하방에 위치하는, 바이오매스 처리장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 토러스는 상기 회전체에 대응되는 부분에 형성된 중공부를 구비하는, 바이오매스 처리장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 토러스는 중앙으로 갈수록 내려가는 경사진 상면을 포함하는, 바이오매스 처리장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 토러스는 상기 회전체의 회전축과 수직한 단면이 다각 형상을 갖는, 바이오매스 처리장치.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 토러스 및 상기 회전체를 거친 상기 가공 목적 물질과, 상기 가공 목적 물질에서 탈수된 수분을 분리하여, 건조된 상기 가공 목적 물질을 집합하는, 싸이클론을 더 포함하는, 바이오매스 처리장치.
  14. 삭제
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